BioBoost – Flexibler Biogas-Booster

Hintergrund

Eine nachhaltige Energieversorgung erfordert den Zubau von Anlagen zur Produktion von erneuerbarem Strom. Dieser Strom aus Sonne und Wind wird jedoch oft nicht dann produziert, wenn er konsumiert wird. Als kurzzeitige Speicher dienen Batterien, welche jedoch für die langfristige Speicherung nicht geeignet sind. Power-to-Gas Technologien weisen höhere Energiedichten auf und erlauben dadurch grössere Speicherkapazitäten. Wasserstoff und Methan aus Power-to-Gas Anlagen sowie Biogas können sich gegenseitig ergänzen und als CNG und LNG Anwendung finden. Es ist wichtig, dass die Komponenten eines erneuerbaren Energiesystems Flexibilität für das Gesamtsystem zur Verfügung stellen können. Die Energieträger Methan, Wasserstoff und Elektrizität können sich so gegenseitig kompensieren. 

ln einigen Jahren fällt für viele der heutigen Biogasanlagen in der Schweiz die KEV-Förderung weg, womit die Einspeisung des erneuerbaren Gases in das Erdgasnetz interessant wird. Für die Einspeisung ist eine Gasreinigung notwendig, welche dem Rohbiogas die ca. 40% CO2 entnimmt, welches heute in reiner Form in die Atmosphäre abgegeben wird. Zukünftig ist es sinnvoll, dieses CO2 anderweitig zu nutzen, zu speichern oder im Sinne der Kreislaufwirtschaft zusammen mit Wasserstoff wiederum zu methanisieren. Es soll untersucht werden, ob dieses CO2 mittels biologischer Methanisierung in CH4 umgewandelt werden kann.

Als nachhaltig positionierte Energieversorgerin ist Eniwa bestrebt, eine langfristige Sicherung der notwendigen erneuerbaren Gase zu erreichen. Der bisherige Aufbau von Biogasanlagen in der Schweiz ist zu langsam um die angestrebten Klimaziele zu erreichen. Eniwa sucht deshalb zusätzliche Möglichkeiten, um die Beschaffung von erneuerbarem Gas sicherzustellen. Dadurch ist das Projekt "BioBoost – Flexibler Biogas-Booster entstanden".

Das Projekt "BioBoost"

Es ist das Ziel dieses Projektes, ein Konzept und ein detailliertes Design eines flexiblen Knotenpunkts des Energiesystems zu erstellen, der unter Verwendung von Biogas das Elektrizitätsnetz via Wasserstoff mit dem Gasnetz verbindet. Das Konzept deckt sowohl technische als auch wirtschaftliche Aspekte ab. Die Untersuchungen werden anhand dem Standort der ARA Reinach durchgeführt mit Überlegungen zu
Skalierung auf andere Grössen.

lm Rahmen des Projektes soll aufgezeigt werden, ob und wie die biologische Methanisierung technisch machbar, ökologisch verträglich und ökonomisch sinnvoll in der relevanten Umgebung von kleinen und
mittleren Klär- und Biogasanlagen einsetzbar ist. Damit weist das Vorhaben enormes Potential zur Übertragbarkeit für andere Anlagenstandorte auf. Der überwiegende Teil der in der Schweiz installierten
erneuerbaren Biomasseanlagen wird über Einspeisevergütungen von elektrischem Strom vergütet. Mit dem allmählichen Ende der Vergütungsphase stehen Investorinnen und Anlagenbetreiber vermehrt vor der Entscheidung, wie mit bestehenden Anlagen verfahren werden soll und welche zusätzlichen Wertschöpfungspfade möglich sind. Ein Weiterbetrieb mit Ergänzung einer Methanisierungsanlage und
Einspeisung des biogenen Methans in das Erdgasnetz ist ein vielversprechender Erlöspfad und im Sinne der nationalen Klimastrategie.

Für die Wasserstoffbereitstellung werden unter anderem der Einkauf von grünem Wasserstoff, die Nutzung von Wasserstoff aus industriellen Prozessen sowie die Installation eines Elektrolyseurs vor Ort in Betracht gezogen.

ARA Reinach mit Biogasproduktion und Membran-Aufbereitung

Die ARA Reinach klärt das Abwasser von 53'000 Einwohnerinnen und Einwohnern. Eniwa bereitet das Klärgas mit einer Aufbereitungsanlage (Membrantechnologie) zu Biomethan auf und speist es in das Erdgasnetz ein. Aufgrund des im Klärgas vorhandenen Kohlenstoffdioxids, welches bei der Aufbereitung abgetrennt wird, steht dieses am Standort für eine Methanisierung zur Verfügung (> 80'000 Nm3 CO2 pro Jahr). 

Die Installation der Membranaufbereitungsanlage im Jahr 2015 war ein BFE-Forschungsprojekt und ist auf die Aufbereitung von 40 Nm3/h Rohgas ausgelegt. Die Membrantechnik zur Aufbereitung von Biogas war zu diesem Zeitpunkt eine verhältnismässig junge Technologie, weshalb erst wenige Betriebserfahrungen vorlagen. Aufgrund der Anlagengrösse und der Auftragsvergabe an die Schweizer Anlagenlieferantin Apex AG, welche bis zu diesem Zeitpunkt noch keine kommerzielle Anlage gebaut hatte, war das Projekt ein wichtiger Wegbereiter für weitere ähnliche Anlagen. Die existierende Aufbereitungsanlage beinhaltet ein Aufbereitungsmodul mit Odorierung, einen Gasverdichter und weitere Komponenten (u. a. Aktivkohlefilter, Sensorik, Gasmessung). In einem kleineren Container  ausserhalb der Ex-Zone sind die Anlagensteuerung und die Gasanalytik verbaut.

Methodik

Für die Anlage in Reinach wird eine Auslegeordnung entsprechend den aktuellen Volumenströme vorgenommen und verschiedene Varianten geklärt. Es werden verschiedene Möglichkeiten der Wasserstoffbereitstellung untersucht sowie deren Anlagenintegration in Kombination mit der Methanisierung betrachtet. Die Auslegung in diesem Projekt richtet sich nach den aktuellen Volumenströmen im kontinuierlichen Betrieb mit einer durchschnittlichen Klärgasproduktion von 50 Nm3/h Klärgas sowie einem zweiten Szenario mit einer grösseren Auslegung (ca. Faktor 2.5).

Als Wasserstoffquellen werden die folgenden Möglichkeiten in Erwägung gezogen und auf ihre technischen, ökonomischen und ökologischen Aspekte untersucht:

• Laufwasserkraftwerk in der Region
• Nutzung von verunreinigtem Wasserstoff aus industriellem Prozess
• Wasserstoffmarkt (heute und zukünftig)
• Installation eines Elektrolyseurs vor Ort
• Pyrolyse von Erdgas mit Speicherung des Kohlenstoffs im Boden

Je nach Bezugsquelle wird auch der Transport des Wasserstoffs analysiert.

Ausblick

Als Grundlage für die techno-ökonomische Untersuchung wurden in einem ersten Schritt die Volumenströme bestimmt, für welche die Anlage ausgelegt werden soll. Anhand dieser konnten verschiedene Varianten der Wasserstoffbereitstellung und Möglichkeiten des Gesamtanlagenbetriebs diskutiert werden. 

Die nächsten Schritte für die techno-ökonomische Analyse beinhalten die genauere Betrachtung einer
industriellen Wasserstoffquelle sowie die Gegenüberstellung verschiedener Wasserstoffquellen für einen aussagekräftigen Vergleich. Mittels einem Tool werden die Energieströme der Gesamtanlage nachvollzogen und die Anlage ökonomisch analysiert. Mit diesen Ergebnissen können anschliessend Aussagen zur Skalierung und Verallgemeinerung getroffen werden. 

Das IET Institut für Energietechnik unterstützt hierbei in der Gesamtbetrachtung der Anlage, der Berechnung verschiedener Szenarien sowie mit einer wissenschaftlichen Begleitung.